CN101488570A - 一种质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的表面处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的表面处理方法，在所述双极板的表面合成一层TiC涂层，厚度为1～15μm。本发明提供的质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的表面处理方法，工艺简单、处理成本低，涂层在酸性溶液环境中具有优异的抗腐蚀性能。该方法制备的金属陶瓷涂层首次应用于质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的表面防护。
Description
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池技术，特别提供了一种通过对质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的表面处理，使得不锈钢双极板具有良好的耐腐蚀性和导电性的方法。
背景技术
燃料电池(Fuel cell，FC)是一种通过电化学反应将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的高效发电装置。随着矿物能源的日趋紧张及环境保护的要求，清洁、高效的FC技术成为一种新兴的领域，并日益受到各国的重视。质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，简称为PEMFC)是以固体高分子质子交换膜为电解质，以氢气或重整气为燃料，以氧气或空气为氧化剂的新一代燃料电池，PEMFC由于具有十分广阔的开发应用前景，受到各国政府和科研机构的广泛关注。目前，PEMFC已在航天、电动汽车、舰艇、移动电源、分布式电站等中进行试验，处于实验室开发和逐渐走向实用的阶段。国际重要的PEMFC研究计划包括美国能源部组织的国家PEMFC研究计划和以加拿大巴拉德动力系统公司为基础，由奔驰、福特等公司支持的PEMFC电动车计划。中国在“九五”和“十五”“八六三”中，将PEMFC列为后续能源和动力项目。一个PEMFC单体电池主要包括双极板、铂催化剂、质子交换膜等组成。一个系统除了PEMFC本体外，还应包括燃料及其循环系统、氧化剂及其循环系统、水/热管理系统等辅助系统。
双极板是PEMFC的一个多功能部件，它具有支撑电极、收集电流、分隔与导通气体和排水等作用。据估计，一个典型的PEMFC中，可达80％的重量和体积来自于双极板，因此减小双极板的重量和体积是提高PEMFC比能量的关键。同时，减少双极板材料及其加工费用也是降低PEMFC成本的主要途径之一。因此，双极板材料及其制作工艺的发展对PEMFC的发展和商业化应用有极其重要的影响。
目前，双极板主要采用石墨及其复合材料或金属材料制作。当前使用最广泛的PEMFC双极板材料是石墨，它具有良好的耐蚀性能、导电性和导热性能，但它的孔隙率大、机械强度低、脆性大、加工性能差，为了防止工作气体的渗透和满足机械强度设计，石墨双极板的厚度应较厚，这使得其体积和重量都较大，不利于降低电池重量比能量和体积比能量；双极板碳复合材料主要是由高分子树脂和石墨粉混合并固化而成，它既保留了石墨材料的化学稳定性高和接触电阻小等性能，又克服了石墨孔隙率大、脆性高等物理机械性能的不足，但由于利用了高分子树脂作为粘接剂，这不可避免地引入了高分子材料的特性，其中其物理机械性能在环境介质中的劣化、离子渗出、蠕变等问题对PEMFC的长期运行性能均有较大影响；与传统的石墨材料相比，金属材料的强度高、加工性能好，可制成很薄的双极板以制造重量比和体积比能量都很高的PEMFC，因此金属材料是极具竞争力的双极板材料。但是，由于PEMFC工作时会产生弱酸性环境，金属材料在此环境中会发生腐蚀或钝化，既污染膜电极，又会增加接触电阻，对PEMFC的性能产生不良影响。因此，采用金属作为PEMFC双极板材料的关键技术之一是金属的表面改性，通过改性处理以提高金属的耐腐蚀性能和降低金属的接触电阻。
PEMFC双极板涉及的金属材料主要有不锈钢、钛、镍、铝、铜和碳钢等。镍、铝、铜和碳钢在PEMFC环境中的腐蚀速度较大，选用这些材料制作双极板时，必须采用有效的涂层等进行表面处理以提高其耐蚀性。钛在PEMFC环境中的腐蚀速率很低，但是其表面接触电阻较大，进而使得电池的正常工作电压较低。与钛材料相比，不锈钢在PEMFC环境中的耐蚀性相对较差，但它比钛材易于加工，且其耐蚀性能明显高于镍、铝、铜和碳钢等金属材料。因此，正是由于相对较高的强度、较高化学稳定性、合金选择范围大、良好加工性能及相对较低的成本使得不锈钢材料受到广泛关注，是目前研究最为活跃的金属材料。但不锈钢在PEMFC环境中也存在腐蚀(特别是在电池阳极一侧)和表面钝化(特别是在电池阴极一则)，因此必须进行表面处理以满足PEMFC的实用化要求。目前国际报道的金属双极板表面防护涂层主要包括碳基涂层如物理气相沉积类金刚石膜、导电聚合物(聚吡咯或聚苯胺)涂层和金属基涂层如贵金属涂层、金属陶瓷(金属氮化物和碳化物)涂层及金属氧化物涂层。这些金属陶瓷涂层制备方法主要包括物理气相沉积和化学气相沉积。
发明内容
本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的表面处理方法，该方法可以提高金属的耐腐蚀性能与导电性能。
本发明提供了一种质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的表面处理方法，在所述双极板的表面合成一层TiC涂层，厚度为1～15μm。
本发明提供的质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的表面处理方法，所述涂层采用高能微弧合金化技术制备，在制备过程中通入惰性气体保护，其工艺参数为：
输出功率为900～2000W，优选为1000～1500W；电压为40～100V，优选为40～80V；频率为500～2000Hz，优选为1000～2000Hz；沉积时间为3～10min。
本发明提供的质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的表面处理方法，涂层厚度10±1μm。
本发明提供的质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的表面处理方法，惰性气体为氮气或氩气。
本发明提供的质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的表面处理方法，惰性气体流量为5～30L/min。
本发明提供的质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的表面处理方法，所述沉积电极为TiC棒。
本发明提供了质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的表面处理方法，在质子交换膜燃料电池不锈钢双极板表面制备了一种耐蚀、导电的TiC涂层。它可施加在各类型不锈钢(如304、316、310型不锈钢)表面。当涂层的厚度达到1μm左右时即能对基材不锈钢起到长期的保护作用。
以304不锈钢为例，在25℃下1mol/dm3H2SO4水溶液中，涂层能够使其自腐蚀电位从-90mV(相对饱和甘汞电极，下同)提高到100mV以上，同时能抑制基体金属在自腐蚀电位处的活性溶解，并将其自腐蚀电流密度从8.3μA/cm2减小到0.03μA/cm2。在高于质子交换膜燃料电池阴极工作电位的600mV下极化4小时没有引起涂层的破坏和金属的腐蚀。在上述介质中，涂层经长期浸泡后仍能保持良好防护性能，不退化。
本发明具有工艺简单、处理成本低，涂层在酸性溶液环境中具有优异的抗腐蚀性能。该方法制备的金属陶瓷涂层首次应用于质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的表面防护。
具体实施方式
实施例1
以直径为6mm的TiC为电极材料，304不锈钢为基体材料。制备前，不锈钢表面需用水磨砂纸打磨到240#，并经蒸馏水、丙酮清洗及干燥。设备输出功率为1065W，电压为40V，频率为2000Hz，氩气流量为10l/min，沉积时间为3min。涂层与基体间属于冶金结合，厚度约为1μm。
在25℃下1mol/dm3H2SO4水溶液中，涂层能够使基体不锈钢的自腐蚀电位从-90mV(相对饱和甘汞电极，下同)提高到100mV以上，同时能抑制基体金属在自腐蚀电位处的活性溶解，并将其自腐蚀电流密度从8.3μA/cm2减小到0.04μA/cm2。在高于质子交换膜燃料电池阴极工作电位的600mV下极化4小时没有引起涂层的破坏和金属的腐蚀。在上述介质中，涂层经长期浸泡后仍能保持良好防护性能，不退化。
实施例2
以直径为6mm的TiC为电极材料，304不锈钢为基体材料。制备前，不锈钢表面需用水磨砂纸打磨到240#，并经蒸馏水、丙酮清洗及干燥。设备输出功率为1065W，电压为60V，频率为1500Hz，氩气流量为101/min，沉积时间为3min。涂层与基体间属于冶金结合，厚度约为3μm的TiC。
在25℃下1mol/dm3H2SO4水溶液中，涂层能够使基体不锈钢的自腐蚀电位从-90mV(相对饱和甘汞电极，下同)提高到100mV以上，同时能抑制基体金属在自腐蚀电位处的活性溶解，并将其自腐蚀电流密度从8.3μA/cm2减小到0.03μA/cm2。在高于质子交换膜燃料电池阴极工作电位的600mV下极化4小时没有引起涂层的破坏和金属的腐蚀。在上述介质中，涂层经长期浸泡后仍能保持良好防护性能，不退化。
实施例3
以直径为6mm的TiC为电极材料，304不锈钢为基体材料。制备前，不锈钢表面需用水磨砂纸打磨到240#，并经蒸馏水、丙酮清洗及干燥。设备输出功率为1500W，电压为60V，频率为500Hz，氩气流量为10l/min，沉积时间为5min。涂层与基体间属于冶金结合，厚度约为5μm。
在25℃下1mol/dm3H2SO4水溶液中，涂层能够使基体不锈钢的自腐蚀电位从-90mV(相对饱和甘汞电极，下同)提高到90mV以上，同时能抑制基体金属在自腐蚀电位处的活性溶解，并将其自腐蚀电流密度从8.3μA/cm2减小到0.04μA/cm2。在高于质子交换膜燃料电池阴极工作电位的600mV下极化4小时没有引起涂层的破坏和金属的腐蚀。在上述介质中，涂层经长期浸泡后仍能保持良好防护性能，不退化。
实施例4
以直径为6mm的TiC为电极材料，304不锈钢为基体材料。制备前，不锈钢表面需用水磨砂纸打磨到240#，并经蒸馏水、丙酮清洗及干燥。设备输出功率为1500W，电压为40V，频率为1000Hz，氩气流量为30l/mn，沉积时间为10min。涂层与基体间属于冶金结合，厚度约为8μm。
在25℃下1mol/dm3 H2SO4水溶液中，涂层能够使基体不锈钢的自腐蚀电位从-90mV(相对饱和甘汞电极，下同)提高到110mV以上，同时能抑制基体金属在自腐蚀电位处的活性溶解，并将其自腐蚀电流密度从8.3μA/cm2减小到0.03μA/cm2。在高于质子交换膜燃料电池阴极工作电位的600mV下极化4小时没有引起涂层的破坏和金属的腐蚀。在上述介质中，涂层经长期浸泡后仍能保持良好防护性能，不退化。
实施例5
以直径为6mm的TiC为电极材料，304不锈钢为基体材料。制备前，不锈钢表面需用水磨砂纸打磨到240#，并经蒸馏水、丙酮清洗及干燥。设备输出功率为1065W，电压为40V，频率为2000Hz，氩气流量为10l/min，沉积时间为10min。涂层与基体间属于冶金结合，厚度约为8μm。
在25℃下1mol/dm3 H2SO4水溶液中，涂层能够使基体不锈钢的自腐蚀电位从-90mV(相对饱和甘汞电极，下同)提高到100mV以上，同时能抑制基体金属在自腐蚀电位处的活性溶解，并将其自腐蚀电流密度从8.3μA/cm2减小到0.02μA/cm2。在高于质子交换膜燃料电池阴极工作电位的600mV下极化4小时没有引起涂层的破坏和金属的腐蚀。在上述介质中，涂层经长期浸泡后仍能保持良好防护性能，不退化。
实施例6
以直径为6mm的TiC为电极材料，304不锈钢为基体材料。制备前，不锈钢表面需用水磨砂纸打磨到240#，并经蒸馏水、丙酮清洗及干燥。设备输出功率为1290W，电压为100V，频率为500Hz，氩气流量为30l/min，沉积时间为5min。涂层与基体间属于冶金结合，厚度约为10μm。
在25℃下，1mol/dm3 H2SO4水溶液中，涂层能够使基体不锈钢的自腐蚀电位从-90mV(相对饱和甘汞电极，下同)提高100mV以上，同时能抑制基体金属在自腐蚀电位处的活性溶解，并将其自腐蚀电流密度从8.3μA/cm2减小到0.02μA/cm2。在高于质子交换膜燃料电池阴极工作电位的600mV下极化4小时没有引起涂层的破坏和金属的腐蚀。在上述介质中，涂层经长期浸泡后仍能保持良好防护性能，不退化。
Claims (7)
1、一种质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的表面处理方法，其特征在于：在所述双极板的表面合成一层TiC涂层，厚度为1～15μm。
2、如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的表面处理方法，其特征在于：所述涂层采用高能微弧合金化技术制备，在制备过程中通入惰性气体保护，其工艺参数为：
输出功率为900～2000W，电压为40～100V，频率为500～2000Hz，沉积时间为3～10min。
3、如权利要求1所述的质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的表面处理方法，其特征在于：涂层厚度10±1μm。
4、如权利要求2所述的质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的表面处理方法，其特征在于：惰性气体为氮气或氩气。
5、如权利要求2所述的质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的表面处理方法，其特征在于：惰性气体流量为5～30L/min。
6、如权利要求2所述的质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的表面处理方法，其特征在于：所述沉积电极为TiC棒。
7、如权利要求2所述的质子交换膜燃料电池不锈钢双极板的表面处理方法，其特征在于：输出功率为1000～1500W，电压为40～80V，频率为1000～2000Hz。
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